碳黑顏料的分散機理

碳黑顏料的分散機理
眾所周知，炭黑是最難分散的顏料之一，因此炭黑比任何其它顏料更需要徹底分散在載體中。雖然幾乎所有炭黑用戶都或多或少地掌握一些有效分散炭黑的技巧，但對炭黑分散過程和機理的了解就顯得相對薄弱，所以有必要在此對炭黑的分散過程和機理做一簡要描述。
  （一）、炭黑顏料的分散過程和機理
  炭黑的分散過程是物理過程，在這個總過程中還包括許多獨立的子過程。炭黑在另一種介質(zhì)中被分散，實際就意味著炭黑粉末中的附聚物被破壞為較小粒子，并同時被介質(zhì)所潤濕。炭黑的分散過程也伴隨有炭黑粒子的隨機均勻分布過程，如果介質(zhì)粘度較低，則已分散的炭黑粒子就會由于粒子間的吸引力而容易聚集，即所謂的顏料粒子再附聚作用。這種作用會降低炭黑的著色強度，為防止再附聚作用的發(fā)生，必須使炭黑分散狀態(tài)穩(wěn)定化。
  炭黑的分散過程可以分為以下四個階段：
  1、破碎：由于商品級炭黑顏料的通常細度(45μm)遠遠不符合下游領(lǐng)域的最終要求，所以在使用炭黑時必須對炭黑進行破碎分散操作，也只有將炭黑破碎分散到一定細度范圍時，才能使炭黑的著色性能或其它所需要的性能充分發(fā)揮出來。例如，發(fā)生在擠出機、捏合機、三輥機、密煉機、高攪機、球磨機、砂磨機等中的操作過程均是顏料的破碎。做為顏料的特性，炭黑的破碎程度同樣與自身粒子的“堅牢度”有關(guān)。
  2、 潤濕：自由炭黑粒子表面與周圍介質(zhì)的相互作用是炭黑被潤濕的重要因素。炭黑潤濕的能量關(guān)系可用熱力學(xué)定律來解釋，其中炭黑表面張力和表面能是潤濕熱的重要輔助參數(shù)，也可以從動力學(xué)角度描述炭黑粉末和附聚物的潤濕過程。潤濕時間不但與炭黑粉末的孔隙及幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)，還隨介質(zhì)粘度提高而增加，并隨潤濕張力增大而減少。在實用條件下，升高溫度可以加速潤濕過程，但溫度升高(粘度降低)又會導(dǎo)致剪切力(破碎作用)降低。潤濕體積可作為炭黑孔體積或填充密度的量度，它與炭黑的相對著色強度密切相關(guān)，因此間接與炭黑在最終制品中分散質(zhì)量有關(guān)。所以，在實際操作中為了提高炭黑的分散性，往往在介質(zhì)中摻入了低分子量的添加劑(如增朔劑或粘度促進劑等)。
  3、分布：通過提高加工溫度和降低體系粘度，使體系處于湍流條件下；以及延長炭黑在加工設(shè)備內(nèi)的停留時間；可以使被潤濕的炭黑粒子達到最佳分布。但是，在實際操作中，延長停留時間將受到產(chǎn)量要求的限制。因此，對于塑料行業(yè)，通常在注朔機和擠出機中安裝魚雷頭、多孔板、剪切部件以及加設(shè)捏合段和采取其它設(shè)計措施，以提高破碎作用和延長停留時間。
  4、內(nèi)聚力：由于炭黑粒子之間存在吸引力(偶極、氫鍵和靜電力)，因此必須依靠外界能量來克服吸引力，才能達到分散目的。炭黑的分散性和它的粒度分布有密切關(guān)系，粒度小的炭黑具有較大的比表面積，并且存在熱力學(xué)上的不穩(wěn)定性，從而容易產(chǎn)生再附聚作用。在實際操作中，添加分散劑涂覆在炭黑粒子表面，從而降低炭黑粒子之間的內(nèi)聚力，有助于避免炭黑分散操作困難。
 （二）、炭黑分散不良導(dǎo)致的主要后果
  分散炭黑的目的是使炭黑在載體中處于一種膠體的分布狀態(tài)，這種分布程度會直接影響到制品的色相、黑度和遮蓋力。炭黑的分散主要受制于三個因素：炭黑本身的特性;載體或分散介質(zhì)的類型;所使用的分散設(shè)備類型。在使用炭黑著色時，如果炭黑分散不良會導(dǎo)致以下方面的后果：
  l 顏色強度不穩(wěn)定；
  l 色澤不好；
  l 出現(xiàn)條紋；
  l 擠出機的過濾篩網(wǎng)被堵塞；
  l 在擠出加工吹朔薄膜時，未破碎的炭黑附聚物引起膜泡撕裂；
  l 引起單絲和扁絲斷裂；
  l 由于制品表面的不均勻性引起的印刷問題；
  l 引起制品機械強度降低(缺口效應(yīng))；
  l 由于顏色包覆不良而導(dǎo)致耐磨性下降。
  由此可見，炭黑的分散在實際應(yīng)用中至關(guān)重要。

二、顏料分散的辦法 
       大體上講，顏料的分散方法大致有下列三種：干混合法、融體剪切法和液體研磨法。
干混合法是指顏料與樹脂由低到高速強度下混合，顏料分散主要通過沖擊研磨而實現(xiàn)的，其主要設(shè)備有高低速混合機；
融體剪切法是指在捏合作用下，通過熔化樹脂傳遞大剪切應(yīng)力；
液體研磨法則是指通過液態(tài)載體的沖擊式剪切力來分散顏料。
 
       目前，市場上能比較好地解決顏料分散性的產(chǎn)品主要有以下幾種商品形式：預(yù)分散顏料色片、漿狀顏料和色母粒等三種。除此之外，還有一些如色餅、色膏等針對性很強的產(chǎn)品。
 
       一是由專業(yè)生產(chǎn)廠家將顏料加工成顏料色片（Pigmented chips，Color chips）。所謂顏料色片，也稱固體色漿、色粒、干片、切片、預(yù)分散顏料，指的是顏料和指定載體樹脂的固態(tài)均勻混合物，也就是預(yù)分散在樹脂中的高濃度顏料。預(yù)分散顏料色片中的顏料含量比較高，根據(jù)體系的不同，一般可以在50-70%之間，載體樹脂的含量比例在30-50%左右，某些如硝化棉（N/C）體系的顏料色片品種還含有環(huán)保的增塑劑。預(yù)分散顏料色片，等同于給油墨制造商按比例配制好的顏料和樹脂，它可以被直接裝入油墨配方，也可以先按色漿的要求先分散成半成品——色漿，再以色漿加入調(diào)墨油的形式混合制成油墨。由于預(yù)分散顏料可以很容易地在高速分散機上進行分散，其分散細度完全可以滿足一般油墨的要求。由此可見，易分散性是它的最大優(yōu)勢。如果對油墨產(chǎn)品的細度要求很高，或者說要求有納米級效果，可以對半成品色漿進行一次快速砂磨處理，得到的色漿性能可以用“極好的巔峰狀態(tài)”來形容，不管是色澤、光澤和亮度都是無與倫比的。預(yù)分散顏料的市場推廣應(yīng)用，有一個價格因素在制約。筆者一直希望其能進行大規(guī)模的商品化生產(chǎn)，從源頭上降低成本。如能和顏料生產(chǎn)廠家一起研究開發(fā)，不僅能從原材料成本上控制，更能從技術(shù)、服務(wù)上得到長足進展。
 
       二是由顏料生產(chǎn)廠直接制成漿狀顏料（色漿，Color paste），由油墨、涂料生產(chǎn)廠在生產(chǎn)時直接加入配方使用，從而可以省卻費時費力的研磨作業(yè)工序，得到效果比較滿意的產(chǎn)品。典型意義上的漿狀顏料(色漿)是指顏料生產(chǎn)廠將顏料濕濾餅，采取脫水步驟后，把顏料分散到各種基料中去，制成一種色漿。一般有機顏料比重小，色漿的顏料含量也較低；而無機顏料的比重大，則可達到較高的顏料含量。漿狀顏料可保持顏料沉淀時的顆粒尺寸，特點是細度好、色澤也較鮮明、著色力也較高。

       三是色母粒。色母粒(Color Master Batch)是指顏料按20%-80%的比例經(jīng)研磨或雙螺桿擠出均勻地分散到樹脂中而制得的顏色顆粒，美國稱之為顏料濃縮物(Pigment Concentration)或顏料制備物(Pigment Preparation)。它具有著色效果優(yōu)越、便于自動計量和運輸、節(jié)約能源、無粉塵、無污染等優(yōu)點，在塑料等材料的著色中應(yīng)用普遍。這其中，載體是色母粒的重要組成部分，其作用是增強顏料與要著色的樹脂之間的親和力和提高著色組分與樹脂的分散與混合。用茂金屬催化法合成的樹脂作載體能大大提高顏料在色母粒中的協(xié)同效應(yīng)和分散性。由于顏料在色母粒中分散性提高，更可獲得一個更均一的相，因此，可以做到顏料用量更少，卻能同時保持高著色質(zhì)量效果。這是因為茂金屬催化法合成的樹脂與Z-N催化法合成的樹脂不同，茂金屬催化法合成的樹脂作載體能制備高濃度的色粒，顏料含量更可達80%。除此之外，色母粒中用茂金屬催化法合成的樹脂作載體，不僅會使著色容易，還能使色母粒產(chǎn)生美觀感，而且對著色產(chǎn)品的力學(xué)性能也有改善，這是因為顏料分散好以后，結(jié)晶性可以提高，得到的制品的耐應(yīng)力、開裂性能相應(yīng)提高。

IKN研磨分散機